一种可调焦的快照式热红外高光谱相机制造技术

本发明专利技术公开了一种可调焦的快照式热红外高光谱相机，系统由可调焦望远镜、物镜、视场光阑、微透镜阵列、渐变滤光片、探测器阵列、低温系统、数据采集处理系统组成。其中，可调焦望远镜可通过多倍变焦实现大范围捕获与精准识别相结合，微透镜阵列实现场景复制的功能，渐变滤光片对光谱进行分光。探测器阵列在焦平面处获取图像数据，经数据处理后，获得完整的三维数据立方体。相较于传统光谱成像技术中利用狭缝分光分时获取数据，本系统具有结构紧凑、抗干扰能力强、实时性好、灵敏度高等优点；与可调焦望远镜相结合，可实现高分辨率成像；再结合热红外谱段在动态目标识别和探测的优势，本发明专利技术可有效用于化学气体探测、动态目标识别检测等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种可调焦的快照式热红外高光谱相机
：本专利技术涉及一种可调焦的快照式热红外高光谱相机，特指一种无须扫描装置、可实时获取数据的热红外高光谱成像平台，依托可调焦望远镜、微透镜阵列和线性渐变滤光片等元件设计的可调焦的快照式热红外高光谱相机。
技术介绍
：长波红外的大气窗口为8～14μm，是常温物体热辐射能量集中的波段。长波红外光谱在沙尘条件下穿透距离较其它波段更长，且具备日夜工作的能力，可用于化学气体检测、地物识别、矿物勘探、城市热岛效应监测、军事伪装识别等领域。目前主要技术难点在于低温光学、热红外精细分光、热红外面阵探测器等，由于这些关键技术的限制，热红外谱段的高光谱成像技术在我国发展缓慢。快照式光谱成像技术从十九世纪八十年代出现，发展至今已衍生出几十种方法。根据分割方式可将快照式光谱成像技术分为图像分割、孔径分割、光路分割和频域分割4类，其中孔径分割方法主要包括场景复制和光谱分光两个过程，场景复制一般通过微透镜阵列，滤光的分光方式原理简单，大大降低了快照式光谱仪的研制难度，具有很好的应用前景。目前，基于微透镜和滤光片阵列的快照式光谱成像技术主要有分块滤光和多孔径渐变滤光的方法。基于分块滤光方法的光谱仪结构简单，但是光谱通道数受窄带滤光片加工工艺的限制。基于多孔径渐变滤光方法的光谱成像仪相对于前一种方法大幅提升了光谱通道数，且渐变滤光片的制作难度远低于滤光阵列。针对上述快照式高光谱技术的现状，本专利技术提出了一种可调焦的快照式热红外高光谱相机，在多孔径渐变滤光方法的基础上，增加了具有多倍变焦功能的可调焦望远镜，提高相机分辨率；另外，将成像谱段由可见光波段扩展为热红外波段，将相机中的部分元件置于低温系统中，提高了灵敏度，可有效用于化学气体探测、动态目标识别等领域。
技术实现思路
：本专利技术涉及一种可调焦的快照式热红外高光谱相机，相对扫描式光谱成像仪省去了扫描的环节，实现了动态目标场景实时获取，并将其应用于热红外谱段的高光谱成像，是一种全新的技术手段。本专利技术为一种用于获取目标场景三维数据立方体的新型可调焦快照式热红外高光谱相机，设备包括可调焦望远镜1、物镜2、视场光阑3、微透镜阵列4、渐变滤光片5、探测器阵列6、低温系统7、数据采集处理系统8。所述可调焦望远镜1置于物镜2前，视场光阑3置于物镜2的像面处，光束经微透镜阵列4各个子透镜后汇聚于探测器阵列6上，线性渐变滤光片5紧贴于探测器阵列6放置，物镜2、视场光阑3、微透镜阵列4、渐变滤光片5和探测器阵列6嵌入在低温系统7中。利用数据采集处理系统8采集图像数据，并对图像进行拼接等处理，最终获得光谱数据立方体，实现热红外波段的高光谱成像。本专利技术是一种高灵敏度的热红外光谱成像技术，获取目标场景的光谱数据立方体，相对扫描式光谱成像仪省去了扫描的环节，实现了动态目标场景实时获取，并将其应用于热红外谱段的高光谱成像。进一步的，所述可调焦望远镜1具有连续变焦远心成像的功能，可通过调节焦距改变视场范围，大视场可用于大范围内的目标搜索，提高捕获率，发现目标后，调整至小视场，对目标进行精准识别与跟踪。焦距与视场的关系如下：I＝f·tanθ式中，I为像面大小，f为焦距，θ为视场角。像面大小确定时，系统中可调焦望远镜的焦距和视场角成反比，因此可通过调节焦距改变视场大小。进一步的，所述微透镜阵列4用于场景复制，所述渐变滤光片5用于光谱分光。将微透镜阵列4设计在梯形网格中，每个微透镜沿渐变滤光片变谱方向移动一定距离，平行于滤光片恒谱方向设计长条带，从子图像中取样数据进行重建。当长条带宽度与微透镜纵向个数的乘积等于光谱图像宽度时，拼接后会形成完整的场景图像。进一步的，所述光学系统的可调焦望远镜使用Ge和ZnSe两种材料，通过强色散玻璃与弱色散玻璃组合，使色散相互补偿，达到消色差的目的。光学系统的物镜、微透镜阵列和滤光片为ZnSe材料。上述两种材料散射损失低，对热红外光谱的吸收小，透过率高。将光学系统部分元件和探测器嵌入在低温系统中，屏蔽热噪声，提高系统的灵敏度。本专利技术的优点在于：通过本方法设计的可调焦的快照式热红外高光谱相机可以实时、精准地获取动态目标场景热红外波段的光谱数据立方体。相较于传统光谱成像技术中利用狭缝分光分时获取数据，本系统具有结构紧凑、抗干扰能力强、实时性好、灵敏度高等优点，结合热红外谱段的高光谱成像对目标识别和探测有显著的效果，本专利技术可有效用于化学气体探测、动态目标识别检测等领域。附图说明：附图1为微透镜阵列和渐变滤光片获取完整场景的成像原理图。附图2为可调焦的快照式热红外高光谱相机结构设计图。具体实施方式：上述说明仅作为本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本方案的技术手段，并按照说明书地叙述加以实施，根据本
技术实现思路
，下文给出适用于本方案的一个具体事例的详细说明。本实例构建了一套可调焦的快照式热红外高光谱相机系统，如附图2所示，它包括可调焦望远镜1、相机光学锗窗口2、物镜3、视场光阑4、微透镜阵列5、渐变滤光片6、探测器阵列7、制冷机8、相机冷屏9、探测器驱动电路杜瓦引线盘10、数据采集处理系统11。可调焦的快照式热红外高光谱相机的主要技术指标如下：成像谱段：8～12μm变焦范围：30～300mm视场角：>10°成像波段数：26工作温度：-30～50℃像元大小：107×96探测灵敏度：优于10mk@300K单帧采集时间：5ms其中各个部分的具体参数和设计如下：可调焦望远镜1：为连续变焦系统，其材料为Ge和ZnSe，工作波段为8-12μm，镜头口径18mm，F#为2。物镜3：材料为ZnSe，镜头口径为18mm，F#为2。微透镜阵列5：透镜数为6×5，单个子透镜口径为2.8mm，F#为2。子透镜排列如附图1所示，若干个子透镜在二维平面排列成梯形状，每个微透镜沿渐变滤光片6变谱方向移动一定距离，平行于滤光片6恒谱方向设计长条带，用于从子图像中取样数据进行重建。当长条带宽度与微透镜纵向个数的乘积等于光谱图像宽度时，拼接后会形成完整的场景图像。渐变滤光片6：滤光片大小为18×16mm，峰值透过率大于65％，波长范围为8-12μm。探测器阵列7：该探测器阵列规模为640×480，像元尺寸为30μm×30μm，响应波长能够覆盖8～14μm。制冷机8：采用法国Tales公司研制的RM4型旋转式小型斯特林制冷机，根据其特性，能够满足制冷温度60K的前提下的1W制冷需求。相机冷屏9：冷屏为探测器组件的背景辐射抑制部件，冷屏9将物镜3、视场光阑4、微透镜阵列5、渐变滤光片6、探测器阵列7均保护起来，可以100％抑制由红外成像镜头和滤光片自身热辐射产生的红外背景信号。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可调焦的快照式热红外高光谱相机，包括可调焦望远镜(1)、物镜(2)、视场光阑(3)、微透镜阵列(4)、渐变滤光片(5)、探测器阵列(6)、低温系统(7)、数据采集处理系统(8)，其特征在于：/n所述可调焦望远镜(1)具有多倍变焦的功能，可通过调节焦距改变视场范围，大视场可用于大范围内的目标搜索，提高捕获率，发现目标后，调整至小视场，对目标进行精准识别与跟踪；所述视场光阑(3)置于物镜(2)的像面处，物镜(2)的像面与微透镜阵列(4)的物面重合，微透镜阵列(4)的像面与探测器阵列(6)的感光面重合，线性渐变滤光片(5)紧贴于探测器阵列(6)放置，物镜(2)、视场光阑(3)、微透镜阵列(4)、渐变滤光片(5)和探测器阵列(6)嵌入在低温系统(7)中；来自无限远物方的光线经可调焦望远镜(1)变焦后，到达低温系统(7)内部的物镜(2)，然后经视场光阑(3)调制，再经微透镜阵列(4)各个子透镜复制并汇聚光线，在经渐变滤光片(5)分光后，最终成像于探测器阵列(6)上。利用数据采集处理系统(8)采集图像数据，并对图像进行拼接等处理，获得完整的光谱数据立方体，实现快照式热红外高光谱成像。/n

【技术特征摘要】
1.一种可调焦的快照式热红外高光谱相机，包括可调焦望远镜(1)、物镜(2)、视场光阑(3)、微透镜阵列(4)、渐变滤光片(5)、探测器阵列(6)、低温系统(7)、数据采集处理系统(8)，其特征在于：
所述可调焦望远镜(1)具有多倍变焦的功能，可通过调节焦距改变视场范围，大视场可用于大范围内的目标搜索，提高捕获率，发现目标后，调整至小视场，对目标进行精准识别与跟踪；所述视场光阑(3)置于物镜(2)的像面处，物镜(2)的像面与微透镜阵列(4)的物面重合，微透镜阵列(4)的像面与探测器阵列(6)的感光面重合，线性渐变滤光片(5)紧贴于探测器阵列(6)放置，物镜(2)、视场光阑(3)、微透镜阵列(4)、渐变滤光片(5)和探测器阵列(6)嵌入在低温系统(7)中；来自无限远物方的光线经可调焦望远镜(1)变焦后，到达低温系统(7)内部的物...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁立银，杨扬，李春来，刘世界，唐国良，吴兵，王建宇，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31